（计算机应用技术专业论文）高速电磁阀试验台设计.pdf

摘要 本文主要介绍高速电磁阀测试系统的设计方法和过程。 文中着重阐述以下几部分内容： 1 根据用户的需求对整个测控系统进行研究，确定其硬件架构，选择 适当的元器件。 2 用v i s u a lb a s i c6 0 ( v b 6 ) 和s i e m e n ss t e p 7 等软件作为编程工具， 编写了p l c 控制程序、监控界面程序和数据采集程序，建立了磁盘 顺序文件，实现过程参数的采集、处理、动态显示和储存，并能实 现历史查询功能，以满足数据可追溯的要求。 3 用模拟量输入模块e m 2 3 1 实现对低速数据的采集和对高速电磁阀的 测试控制，用研华采集卡p c i - 1 7 1 6 实现高速数据的采集，用模拟量 输出模块e m 2 3 2 通过变频器p i d 变频调速功能实现对油泵电机调速， 控制。 本系统综合了当今多方面先进的控制技术，使用以来运行一直稳定。它的开 发成功对促进我国航空、军事和汽车工业的迅速发展具有重要的意义。 关键字：高速电磁阀；p l c ；p c i - 1 7 1 6 采集卡；v i s u a lb a s i c6 0 。 中图分类号：t p 2 0 2 文献标志码：a a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l yd e p i c t st h ed e s i g nm e t h o da n dd e s i g np r o c e s so ft h et e s ta n d c o n t r o ls y s t e mo fh i g h - s p e e de l e c t r o m a g n e t i cv a l v e s t h i sp a p e rm a i n l yi n c l u d e st h r e ep a r t s ： 1 a c c o r d i n gt ot h eu s e r sr e q u i r e m e n t ，t h ew h o l et e s t ia n dc o n t r o ls y s t e mi s c a r e f u l l ys t u d i e d ，t h eh a r d w a r es t r u c t u r ei sd e t e r m i n e da n dt h ee q u i p m e n t s a r es e l e c t e d 2 w eu s ev i s u a lb a s i c6 0a n ds t e p 7a sp r o g r a ml a n g u a g e st od e s i g nd a t a a c q u i s i t i o np r o g r a m sa n dp l cc o n t r o lp r o g r a m s d i s kf i l e sa r ec r e a t e d t h u s p r o c e s sp a r a m e t e r sc a nb ea c q u i r e d ，d i s p o s e d ，s h o w na n ds a v e d ，a n dt h e h i s t o r i cd a t aq u e r yc a nb ec a r r i e do u t 3 t h ea n a l o g i n p u t m o d u l ee m 2 3 1c o n t r o l sa n dt e s t s h i g hs p e e d e l e c t r o m a g n e t i cv a l v e sa n da c q u i r e sl o ws p e e dd a t u m ；p c i - 1 7 1 6a c q u i s i t i o n c a r da r eu s e dt or e a l i z eh i 曲s p e e dd a t aa c q u i s i t i o nf r o mt h es e n s o r s ；t h e a n a l o go u t p u tm o d u l ee m 2 3 2c o n t r o l st h e0 np u m pm o t o rt h r o u g ht h e i n v e f t e r t h i ss y s t e ms y n t h e s i z e st h en o w a d a y sv a r i o u sa d v a n c e dc o n t r o lt e c h n o l o g y , u p t on o wi th a sb e e nw o r k i n gc o n t i n u o u s l y s t a b l y i t ss u c c e s s f u ld e s i g ni sv e r y s i g n i f i c a n tt os p e e d u po a rc o n t r yd e v e l o p m e n ti nt h ef i e l do ft h ea v i a t i o ni n d u s t r y , t h em i l i t a r yi n d u s t r ya n dt h ea u t oi n d u s t r y k e yw o r d ：h i 曲s p e e de l e c t r o m a g n e t i cv a l v e ；p l c ；p c i - 1 7 1 6a c q u i s t i o nc a r d ； v i s u a lb a s i c 6 0 2 1 1 引言 第一章绪论 随着汽车工业、航空工业和船舶工业的迅猛发展，对电磁阀特剐是高速电磁 阀的数量需求越来越大，对速度等性能指标要求越来越高。高速电磁阀的制造技 术和检测控制技术的发展程度将直接影响我国在世界军事、航空、汽车等高科技 领域的竞争地位和我国国民经济的快速发展。这就客观地要求设计具有快速、精 确高效、智能的电磁阀测试系统。 为了实现高速电磁阀动态测试，我们对电磁阀的计算机动态测试方法进行了 深入研究，本课题中采用了目前先进的变频调速技术、应用s t e p 7 和、，b 编程、 使用计算机和p l c ( 可编程控制器) 作为控制设备对高速电磁阀的导通和断开进 行控制，并在导通和断开瞬间进行动态测试。使用这种方法实现了一个实用的高 速电磁阀计算机动态测试系统。该方法设计的计算机测试系统各项指标均达到要 求，取得了良好的经济效益。 1 2 国内外研究的现状“3 目前，高速电磁阀已广泛应用于航空、航天、汽车等领域，用于流量 精确控制。在一些发达的国家，由于其经济实力比较雄厚，而且科技水平比较 高，其在对电磁阀性能综合测控系统开发上已达到了很高的水平。在国外，由于 在m c u ( 微控制器或单片机) 、d s p ( 数字处理器) 、嵌入式系统等技术方面比较 成熟和完善，为其研究企业和部门提供了一个很好的开发和研制电磁阀性能综合 测控系统的平台。目前，随着国外芯片制造技术和嵌入式开发技术不断发展和完 善，发达国家在电磁阀性能综合测控系统的开发上也逐渐走向了微机化和智能 化，使其成为一套集控制理论、通讯理论、计算机应用技术、传感技术、数字信 号处理技术等多学科相融合的综合测控系统，大大提高了电磁阀的综合性能，从 而在高速电磁阀综合性能测试系统的设计上一直处在国际领先水平。 相比，我国在这方面的发展速度比较缓慢，整体的自动化水平不高，有些测 控系统还处在半手工半自动化的状态。高速电磁阀的综合性能测试系统，仍采用 普通电子元件组成电路来进行测试，电磁阀驱动发生与对系统参数检测相互分离 的方式，而且驱动发生信号不能随意调节和改动，造成系统测试功能单一；相互 分离的结构造成被测系统参数误差比较大，很难提高整体电磁阀产品的综合技术 性能指标，从而影响我国整个航空、汽车工业的发展。 3 1 3 研究目标 本课题设计中，我们利用计算机作为上位机，用v i s u a lb a s i c6 0 编制上 位机监视系统，应用p l c 作为下位机对目标系统进行控制，通过i 0 驱动程序从 现场i o 设备获得实际数据，对数据进行必要的加工后，一方面以波形和数字方 式直观地显示在计算机屏幕上；另一方面将控制数据送给i o 设备，对执行机构 实施控制或调整控制参数。通过计算机采集高速电磁阀出入口的压力、温度、流 量、高速电磁阀线圈电流和电压及高速电磁阀的工作频率信号，能实时在线评估 高速电磁阀的性能，适应各种不同结构与尺寸的高速电磁阀监测需要。 1 4 课题研究的意义“1 本课题所研究的驱动发生器测控系统是一套用于对高速电磁阀进行综合性 能测试的自动化测试系统。在航空工业领域，对于高速电磁阀性能的综合测试具 有十分重要得战略意义，高速电磁阀性能指标将直接影响到整个飞机控制系统对 发动机的控制。可以说，其性能从侧面也反映了一个国家航空工业发展的整体水 平。因此，对高速电磁阀进行综合性能检测，在航空工业部门就显得十分的重要。 计算机控制的电磁阀测试技术在国外已相当成熟，但在我国对于这方面的研 究还比较落后，智能化程度很低。以前相当部分的电磁阀的测试控制系统是从国 外引进的，不仅成本昂贵，而且在维护方面也非常不方便。随着我国高速电磁阀 生产工业的迅速发展和测控技术日益成熟，以及当前我国提井科技自主创新能力 的迫切需要，自主开发稳定可靠的高性能计算机控制的高速电磁阀测试平台是十 分必要的。 长期以来，我国一些企业和科研院所在这方面仍作了大量的研究和设计工 作，并取得了一定的成果，大大缩小了与先进国家在航空测控系统领域的差距。 现在，随着我国经济的飞速发展，使得一些设计技术得到成熟和完善。例如，计 算机技术、微电子技术、现代新型传感器技术等。这些技术也逐渐被我国的科研 人员运用并自行研发和设计了一系列的测控系统，大大提高了我国在研制测控系 统领域的整体自动化水平。 1 5 课题来源嘲 随着以c a t s 清洁大气两冲程发动机燃油控制系统、s p 系列数字电磁阀为代 表的2 5 项高新技术先后列入省级和国家级技术创新、高新技术产业化推进项目， 再加上自主开发的内燃机燃油电控喷射系统列入全国“促进专利技术产业化示 4 范工程”，中国航空工业第一集团下属的贵州红林机械有限公司自2 0 0 2 年4 月 参加知识产权推进工程后，以专利战略促企业进步，逐步实现知识产权为企业生 产经营服务，走出一条专利与企业并进、专利与企业互补的发展之路。 为满足市场需求，红林公司2 0 0 5 年投资1 0 0 0 万元对其高速电磁阀专利产品 生产线实施技术改造。2 0 0 2 年7 月初，在中国一航召开的国防知识产权战略研 究课题评选会上，红林公司“高速电磁阀专利战略研究”课题还通过了有关专家 组的评审。 此外，围绕公司另一大支柱产品a t m 汽车自动电控执行机构，红林 公司于2 0 0 4 年开展了该产品的专利战略研究，以此为企业投资a t m 汽车自动电 控执行机构生产线提供必要的决策参考。据介绍，a t m 汽车自动电控执行机构集 红林公司燃油喷射系列、高速电磁阀系列专利于一体，是该公司专利应用的成功 范例。其中，汽车防抱死装置增压型电磁阀和汽车防抱死装置减压型电磁阀是两 项应用于轿车的专利，投产后每年至少可为企业创收千万元以上。2 0 0 5 年，总 投资5 0 0 0 万元的“a t m 汽车自动电控执行机构”项目已经启动，这为红林公司 进入汽车行业搭建了一个平台。 “企业只有通过企业专利战略研究，把握国内国际水平、运用专利不断培育 出新产品，才能真正具备产品优势，以此赢得市场。”正是体会到专利战略研究 的重要性，从2 0 0 1 年起，红林公司的知识产权保护工作就进入个较高的层次， 通过开展专利战略研究将知识产权工作提高到企业经营的战略高度上。 在这种背景下，为了加快高速电磁阀的研究速度，增强电磁阀试验的精确性、 可靠性，提高测试的效率和自动化水平，红林机械有限公司决定与贵州大学计算 机应用研究所联合开发该高速电磁阀测试台项目。 1 6 主要研究内容 在本测试控制系统中，我们主要完成的研究任务是： ( 1 ) 根据用户的需求对整个测控系统进行研究，确定其硬件架构，选择 适当的元器件。 ( 2 ) 用模拟量输入模块e m 2 3 1 和采集卡p c i - 1 7 1 6 实现传感器数据的采集， 用模拟量输出模块e m 2 3 2 实现对高速电磁阀的控制，以及对电机的控制。 ( 3 ) 以v i s u a lb a s i c6 0 ( v b 6 ) 和s t e p 7 作为编程工具，编写了p l c 控 制程序和数据采集程序，实现过程参数的采集、处理，动态显示和存储，并能实 现历史画面回放功能，以满足数据可追溯的要求。 1 7 实现的方法 5 为了实现设计目标，我们采用以下方法： ( 1 ) 用p l c 编程软件完成下位机编程，实现低速数据的采集； ( 2 ) 用p c i - 1 7 1 6 采集卡实现高速数据采集； ( 3 ) 利用v i s u a lb a s i c6 0 完成上位机编程，实现动态显示； ( 4 ) 实现上位机与下位机的通讯。 6 第二章相关概念和技术原理 本系统综合了计算机控制技术、p l c 技术、变频高速技术和数据采集技术等 多种新技术，涉及许多相关概念和原理。在开始介绍整个系统设计之前有必要对 它们作相关介绍。 2 1 计算机监控系统嘲 随着计算机技术的发展，当今世界上基于p c 的自动化方案已成为主流，p c 在自动化领域的应用正迅速增长，通过将所有的功能集成于这个统一开放的平台 上，通过人机界面可以使复杂的控制和数据处理变得更加简单化。 计算机监测控制系统( 简称计算机监控系统) 是监测控制计算机为主体，加 上检测装置、执行机构，与被监测控制的对象共同构成的整体。 p c 计算机在监测控制系统中起到三方面的作用： ” ( 1 ) 采集与处理主要是对监控过程的参数进行采样和必要的预处理，并 以一定的形式输出( 如打印制表和c r t 屏幕显示) ，为工作人员提供详 实的数据，以便于分析、了解检测情况，监视检测过程的进行。 ( 2 ) 监督将检测的实时数据、人工输入的数据等信息进行分析、归纳、 整理、计算等二次加工，并制成实时和历史数据库加以存储。 ( 3 ) 控制在检测的基础上进行信息加工，根据事先决定的控制策略形成 控制输出，直接作用于监控过程。 完整的计算机监测控制系统由上述三种功能中的部分或全部的综合集成，它 利用计算机高速度、大容量和智能化的特点，可以把一个复杂的监控过程组织管 理成为一个综合、完整、高效的自动化整体。 计算机监控系统一般由传感器、数据采集卡、计算机、执行机构和测控对象 几部分组成。监控系统基本结构图如下： l 、传感器 传感器在高度智能信息处理系统中有着重要的地位，如果把计算机比作 7 人脑的话，传感器则相当于入的感觉器官，是诸多充当感觉器官的传感 器把光、磁、热、温度、机械量、化学量等转换成相应的易于测量、传 输和处理的电信号，再通过传感器信号处理电路放大，传递给信息中心。 2 、数据采集卡主要功能有三个：其一是由衰减器和增益可控放大器进行 量程自动改换：其二是由多路切换开头完成对多点多通道信号的分时采 样，时间连续信号x ( t ) 经过采样后变为离散时间序列x ( n ) ，n = o ，l ，2 ，； 其三是将信号的采样值由a d 转换器转换为幅值离散化的数字量，或由 v f 转换器转换为脉冲频率以适应计算机工作。 3 、p c 计算机计算机是整个测控系统的核心，它使整个测控系统成为一个 智能化的有机整体，在软件导引下按预定的程序自动进行信号采集与存 储，自动进行数据的运算分析与处理，进而通过向控制装置传送指令控 制被控对象，或者显示或记录测量结果。 4 、执行机构通常根据计算机的指令驱动测控对象。按动力源一般可分为电 动式、液压式和气动式三种、电动执行机构有步进电机和伺服电机等实 现旋转运动的电动机，这种执行机构由于动力源容易获得，使用方便， 所以得到了广泛的应用。液压执行机构有液压油缸、液压马达等，这些 装置具有体积小、输出功率大等特点。气动执行机构有气缸、气动马达 等，这些装置具有重量轻、价格便宜等特点。 5 、测控对象测控对象是各种被控制对象，这一方面是检测数据的来源，另 一方面是控制的目标。 2 2p l c ( 可编程序控制器) 2 2 1p l c 概述蜘 随着科学技术的发展，电气控制技术在各领域中得到越来越广泛的应用。 p l c ( 可编程序控制器) 的应用使电气控制技术发生了根本的变化。p l c 是以微 处理器为基础，综合了计算机技术、半导体技术、自动控制技术、数字技术和网 络通信技术发展起来的一种，是微电子技术与自动控制技术相结合的产物。p l c 以其可靠性高、灵活性强、使用方便的优越性，迅速占领了工业控制领域。从运 动控制到过程控制，从单机自动化到生产线自动化乃至工厂自动化，从工业机器 人、数控设备到柔性制造系统( f m s ) ，从集中控制系统到大型集散控制系统，p l c 均充当着重要角色，并展现出了强劲的态势。p l c 作为先进的、应用势头最强的 工业控制器风靡全球。p l c 技术、c a d c 埘技术和工业机器人成为现代工业控制 的三大支柱。 8 2 2 2s i e m e n sp l c $ 7 - 2 0 0 6 1 刀嘲 西门子公司的s i 姒t i cs 7 2 0 0 是一种叠装式结构的小型p l c 。它指令丰富、 功能强大，可靠性高、适应性好、便于扩展、性能价格比高，在各种自动控制领 域得以广泛应用。 s 7 2 0 0 主机的型号规格种类较多，以适应不同需求的控制场合。$ 7 - 2 0 0 c p u 2 2 x 系列产品有：c p u 2 2 1 模块、c p u 2 2 2 模块、c p u 2 2 4 模块、c p u 2 2 6 模块、 c p u 2 2 6 x m 模块。c p u 2 2 x 系列产品指令丰富、速度快、具有较强的通信能力。 2 2 3s 7 - 2 0 0p l c 结构特点 ( 1 ) 机械结构特性 体积小、重量轻、结构紧凑，可用接线端予排接线，而且接线端子前 带有面板保护，p l c 上设计有标准的d i n 导轨安装机构和安装孔，可 以垂直或水平方向安装。 ( 2 ) 电气结构特性 i 、免维护性。s 7 2 0 0 c p u 中配有e e p r o m ，要以永久保存用户程序和一些 重要参数。它还安装有大容量电容，可以长时间存储数据而不需要后 备电池。 2 、p l c 内有2 4 v 负载电源：可煮接连接到传感器和变送器( 执行器) ，c p u 2 2 1 ，2 2 2 具有1 8 0 m a 输出，c p u2 2 4 ，c p u2 2 6 分别输出2 8 0 m a ，4 0 0 m a 。 3 、为了适合不同场合使用，c p u2 2 1 2 2 6 各有2 种类型c p u ，具有不同 的电源电压和控制电压。 4 、灵活中断输入。允许以极快的速度对过程信号的上升沿作出响应。 5 ，p l c 内配有高速读数器。c p u2 2 1 2 2 24 个高速计数器( 3 0 l ( z ) ，可编 程并具有复位输入，2 个独立的输入端可同时作加、减计数，可连接 两个相位差为9 0 。的a b 相增量编码器c p u 2 2 4 2 2 66 个高速计数器 ( 3 0 k h z ) ，具有c p u 2 2 1 2 2 2 相同的功能。 6 、易于扩展。c p u2 2 2 2 2 4 2 2 6 可方便地用数字量和模拟量扩展模块进 行扩展。 7 、模拟电位器外部设定 8 、c p u 2 2 1 2 2 2 2 2 4 2 2 6 还具有： 脉冲输出：2 路高频率脉冲输出( 最大2 0 k h z ) ，用于控制步进电机或 伺服电机实现定位任务。 实时时钟：例如为信息加注时间标记，记录机器运行时间或对过程进 9 行时间控制。 。 e e p r o m 存储器模块( 选件) ：可作为修改与拷贝程序的快速工具( 无 需编程器) ，并可进行辅助软件归档工作。 电池模块：用于长时间数据后备。用户数据( 如标志位状态，数据块， 定时器，计数器) 可通过内部的超级电容存贮大约5 天选用电池模 块能延长存贮时间到2 0 0 天( 1 0 年寿命) 。电池模块插在存储器模块 的卡槽中。 c p u 2 2 4 的技术参数如下表： 技术参数说明 本机数字输入1 4 路数字量输入 本机数字输出1 0 路数字量输出 高速读数器( 3 2 一位值)6 个高速计数器 脉冲输出2 个，2 0 k h z 脉冲速率 模拟电位器1 个，8 位分辩率 时间中断2 个，l m s 分辩率 边沿中断4 个上升沿和或4 个下降沿 可选择的输入滤波器时间 7 个，范围0 2 m s 1 2 8 m s 最大扩展模块7 个 程序存储器4 k 字e e p r o m 用户存储器2 4 k 字e e p r o m p i d 功能有 高速脉冲输出2 个( 2 0 k h z ，o c ) r s - 4 8 5 通信口1 个 通信协议p p i 、m p i 和自由方式 表2 1 2 2 4 $ 7 - 2 0 0 主要功能特点 $ 7 - 2 0 0 提供了多种功能，使得编程控制时更加灵活方便，下面对这些功能 做简要介绍。 ( 1 ) 执行指令速度高。c p u 2 2 4 执行每条二进制指令时间为0 3 7 u s 。 ( 2 ) 丰富的指令功能。s 7 - 2 0 0 p l c 几乎包括了一般计算所具有的各种基本 操作指令。如变量赋值、数据存储、传送、比较、子程序调用、循环 等。另外，它还良好的用户使用功能，如脉宽调制( p w m ) ，位置控制 ( p t o ) 、p i d 等功能。 ( 3 ) 灵活的中断功能。中断触发有几种形式：可用软件设定为中断输入信 号的上升沿或下降沿，以便做出快速响应可设为时间控制的自动中断 可由内置高速计数器自动触发中断；在与外设( 如打印机等) 通信时 可以以中断方式工作。 ( 4 ) 输入和输出的直接查询与赋值。在扫描周期内，可直接查询当前的输 入和输出信号，在必要时，还可以用指令对输入和输出直接赋值或改 变其值。这样不仅用户调试程序方便，同时也可使系统对过程事件做 出快速响应。 ( 5 ) 严格的口令保护。$ 7 - 2 0 0 系统有3 个不同的口令保护级别，以便用户 对程序做有效保护。3 级口令分别是自由存取、只读、完全保护。 ( 6 ) 友好的调试和故障诊断功能。包括整个用户程序可在用户规定的周期 数内运行和分析，同时可记录存储器、定时器、计数器状态。 ( 7 ) 输入或输出的强制功能。用户在调试程序时，可对输入或输出强制接 通。 ( 8 ) 通信功能。通信是s 7 - 2 0 0 p l c 的一个重要功能，它向用户提供了强大、 灵活的通信功能。用点对点接口( p p i ) 作9 6 k b i t s 的数据通信，用 r s - 4 8 5 接口实现高速用户可编程接口。 2 2 5s 7 2 0 0c p u 扩展模块与系统扩展 s 7 - 2 0 0 c p u 上已提供了定数量的输入和输出接点，但是如果用户需要多于 c p u 单元i o 点时，就必须对系统做必要的扩展。其中c p u 2 2 4 最多可以扩展7 个单元( 开关量或模拟量) 。基本单元通过其右侧的扩展接口用总路线连接器( 插 件) 与扩展单元左侧的扩展接口相连接，扩展单元之间也用同样的方法连接。这 种方法对安装j i 哽序没有限制。用扩展板来扩展系统有以下特点 ( 1 ) 最佳的适应性。用户可根据自己实际系统要求选用各种合适的扩展模 块做硬件组态，以满足各种控制的要求。 ( 2 ) 很宽的灵活性。当已经投入运行的系统需改造扩充的时候，p l c 可以 随时进行升级，并修改相应的控制软件和控制程序。 s 7 2 0 0 的接口模块有数字量模块、模拟量模块、智能模块等。这里只介绍 一个模拟量模块。 模拟量模块有模拟量输入模块、模拟量输出模块、模拟量输入输出模块。 ( 1 ) 模拟量输入模块( a d ) 模拟量信号是一种连续变化的物理量，如电流、电压、温度、压力、位移、 速度等。工业控制中，要对这些模拟量进行采集并送给p l c 的c p u ，必须先对这 1 1 些模拟量进行模数( a d ) 转换。模拟量输入模块就是用来将模拟信号转换成 p l c 所能接受的数字信号的。生产过程的模拟信号是多种多样的，类型和参数大 小也不相同，所以，一般先用现场信号变送器把它们变换成统一的标准信号( 如 4 2 0 m a 的直流电流信号、1 5 v 的直流电压信号等，然后再送入模拟量输入模 块将模拟量信号转换成数字量信号、以便p l c 的c p u 进行处理。模拟量输入模块 一般由滤波、模数( a d ) 转换，光耦合等部分组成，如图2 2 ：光耦合器有效 地防止了电磁干扰，对多通道的模拟量输入单元，通常设置多路转换开关进行通 道的切换，且在输出端设置信号寄存器。 图2 2 模拟量输入模块设有电压信号和电流信号输入端。输入信号经滤波、放大、 模数( a d ) 转换得到的数字量信号，再经光耦合器进入p l c 内部电路。 也糍凝诺嚣 啦朋量哆赫 响榔斡h i l l 。固。 ilm 舢 一r o 卧o 。粥和c _ * 弘ll 私v o c 啦雄搏酱k 鼯 图2 3 模拟量输入模块( e m 2 3 1 ) 具有4 个模拟量输入通道。每个通道占用存储器 a i 区域2 个字节。该模块模拟量的输入值为只读数据。电压输入范围：单极性0 i o v ，0 5 v ：双极性一5 + 5 v ，- 2 5 + 2 5 v ，电流输入范围：o 2 0 m a 模拟量到 数字量的最大转换时间为2 5 0 u s 该模块需要直流2 4 v 供电。可由c p u 模块的传 感器电源d c 2 4 v 4 0 0 l i l a 供电，也可由用户提供外部电源。 图2 3 是e m 2 3 1 模拟量输入模块端子的接线图。模块上部共有1 2 个端子， 每3 个点为一组( 例r a 、a + 、a _ ) 可作为一路模拟量的输入通道，共4 组，对 于电压信号只用两个端子( 如图中的a + 、a _ ) ，电流信号需用3 个端子( 如图中 的r c ，c + ，c - ) ，其中r c 与c + 端予短接。对于未用的输入通道应短接( 如图中的 b + 、b - ) 。 模拟量输入模块的分辩率通常以a d 转换后的二进制数数字量的位数来表 示，模拟量输入模块( e m 2 3 1 ) 的输入信号经a d 转换后的数字量数据值是1 2 位 二进制数。数据值的1 2 位在c p u 中的存放格式如图。最高有效位是符号位：0 表示正值数据字，l 表示负值数据字 图2 4e m 2 3 1 、e m 2 3 5 输入数据字格式 l 单极性数据字格式 对于单极性数据，其2 个字节的存储单元的低3 位均为o ，数据值1 2 位( 单 极性数据) 是存放在第3 1 4 位区域。这1 2 位数据字的最大值应为2 1 5 8 = 3 2 7 6 0 。 e m 2 3 1 模拟量输入模块a d 转换单极性数据字格式的全量程范围设置为0 3 2 0 0 0 差值3 2 7 6 0 3 2 0 0 0 = 7 6 0 则用于偏置增益，由系统完成。由于第1 5 位为0 ，表示 是正值数据字。 2 双极性数据字格式 对于双极性数据，存储单元( 2 个字节) 的低4 位均为0 ，数据值1 2 位( 双 极性数据) 是存放在第4 1 5 位区域。最高有效位是符号位，双极性数据字格式 的全量程范围设置为一3 2 0 0 0 + 3 2 0 0 0 。 ( 2 ) 模拟量输出模块( d a ) 在工业控制中，有些现场设备需要用模拟量信号控制，例如，电动阀门、液 压电磁阀等执行机构，需要用连续变化的模拟信号来控制或驱动。这就要求把 p l c 输出的数字量变换成模拟量，以满足这些设备的需求。 模拟量输出模块的作用就是把p l c 输出的数字量信号转换成相应的模拟量 信号，以适应模拟量控制的要求。模拟量输出模块一般由光耦合器、数模( d a ) 转换器和信号驱动等环节组成。如图所示。光耦合器可有效地防止电磁干扰。 一 图2 5 p l c 输出的若干位数字量信号由内部电路送至光耦合器的输入端，经光耦合 后的数字信号，再进入数模( d a ) 转换器，转换后的直流模拟量信号经运算放 大器放大后驱动输出。通常模拟量输出模块提供电压输出和电流输出。 模拟量输出模块( e m 2 3 2 ) 具有2 个模拟量输出通道。每个输出通道占用存 储器a q 区域2 个字节。该模块输出的模拟量可以是电压信号，也可以是电流信 号。输出信号的范围：电压输出为一l o + l o v ，电流输出为o 2 0 n a 电压输出的 设置时间为l o o u s ，电流输出的设置时间为2 m s 用户程序无法读取模拟量输出 值。该模块需要d c 2 4 v 供电。可由c p u 模块的传感器电源d c 2 4 v 4 0 0 m a 供电，也 可由用户外部提供电源。下图2 6 是e m 2 3 2 模拟量输出模块的端子接线图。模 块上部有7 个端子，左端起的每3 个点为一组，作为一路模拟量输出，共两组： 第一组v o 端接电压负载、1 0 端接电流负载，m 0 为公共端。第二组v l 、i l 、m l 的接法与第一组类同。输出模块下部m 、l + 两端接入d c 2 4 v 供电电源。 e = 纛嚣鼍= 蕊习一一 吨獬# 图2 6 模拟量输出模块的分辩率通常以d a 转换前待转换的二进制数数字量的位 数表示，$ 7 - 2 0 0 运算处理后的1 2 位数字量信号( b i n 数) 在c p u 中存放的格式 如表所示。最高有效位是符号位：0 表示是正值数据字，l 表示是负值数据字。 m s bl s b 电流输出数据格式 m s bl s b 电压输出的数据格式 表2 2e m 2 3 1 、e m 2 3 5 输出数据字格式 1 、电流输出数据字格式 对于电流输出的数据字，其2 个字节的存储单元的低3 位均为0 ，数据 1 4 值1 2 位数据是存放在第3 1 4 位区域。电流输出数据字格式为0 n + 3 2 0 0 0 第1 5 位为0 ，表示是正值数据字。 2 、电压输出的数据字格式，其2 个字节的存储单元的低4 位均为0 ，数据 值的1 2 位是存放在第4 1 5 位区域。电压输出数据字格式为一3 2 0 0 0 + 3 2 0 0 0 。 ( 3 ) 模拟量输入输出模块 s 7 - 2 0 0 还配有模拟量输入输出模块( e m 2 3 5 ) 模拟量输入输出模块( e m 2 3 5 ) 具有4 个模拟量输入通道、1 个模拟量输出 通道。该模块的模拟量输入功能同e m 2 3 1 模拟量输入模块，技术参数基本相同。 只是电压输入范围有所不同。 该模块的模拟量输出功能同e m 2 3 2 模拟量输出模块。技术参数也基本相同。 该模块需要d c 2 4 v 供电。可由c p u 模块的传感器电源d c 2 4 v 4 0 0 m a 供电。 也可由用户提供外部电源。 2 2 6 自由口通信 自由口通信方式是s 7 - 2 0 0 p l c 的一个很有特色的功能。它允许应用程序控制 $ 7 - 2 0 0 的串行通信口可以与任何通信协议公开的其他设备、控制器进行通信， 即s 7 - 2 0 0 p l c 可以使用用户自定义通信协议( 如a s c i i 协议) 与多种类型的智能 设备通信，即在自由口模式下，s 7 - 2 0 0 处于r u n 方式时，用户可以用发送接收 指令或发送接收中断指令结合自定义通信协议编写程序控制通信端口操作。使可 通信的范围大大增加，使控制系统配置更加灵活、方便。如； 任何具有串行接口的外设，例如：打印机或条形码阅读器、变频器、调制解 调器( m o d e m ) 、上位p c 机等 s 7 2 0 0 系列微型p l c ，用于两个c p u 问简单的数据交换。用户可通过编程来 编制通信协议，用来交换数据( 例如a s c i i 码字符) ，具有r s 一2 3 2 接口设备也 可用p c p p i 电缆连接起来进行自由通信方式通信。 ( 1 ) 自由口指令 自由口通信指令包括：自由口发送( 删t ) 指令和自由口接收( r c v ) 指令。 二者均在允许输入端e n 有效时，指令初始化通信操作，通过指定端口( p o r t ) 将数据缓冲区( t b l ) 发送到远程设备或从远程设备上读取数据存储于数据缓冲 区( t b l ) 数据缓冲区( t b l ) 的第一字节定义发送的字节数。接收( r c v ) 指 令：允许输入端e n 有效，指令初始化通信操作，通过指定端口( p o r t ) 从远程 设备上读取数据存储于数据缓冲区( t b l ) 数据缓冲区的第一字节定义接收的 字符数。接收缓冲区和发送缓冲区数据格式如下： 表2 3 ， ( 2 ) 相关寄存器及标志 i 、控制寄存器 * 用特殊标志寄存器中的s m b 3 0 和s m b l 3 0 的各个位分别配置通信口0 和 通信口1 ，为自由通信口选择通信参数，如波特率、奇偶校验位和数据 位等。 s m b 3 0 控制和设置通信端口0 ，如果s 7 2 0 0 有通信端口l ，则用s m b l 3 0 来进行控制和设置。 s m b 3 0 的各位含义如下： s m b 3 0 7 s m b 3 0 6s m b 3 0 5s m b 3 0 4 s m b 3 0 3s m b 3 0 2s m b 3 0 1s m b 3 o o ppdbbbmm 奇偶选择每个字自由口波特率协议选择0 0 ： 0 l ：偶校验符的数0 0 1 ：1 9 2 0 0 b p s点到点接口协 1 l ：奇校验据位0 1 0 ：9 6 0 0 b p s议( p p i 从站 0 ：8 位模式) 0 1 ：自 1 ：7 位由口协议 表2 4 2 、特殊标志位及中断 接收字符中断：中断事件号为8 ( 端口0 ) 和2 5 ( 端口1 ) 。 发送住处完成中断：中断事件号为9 ( 端口0 ) 和2 6 ( 端口1 ) 。 接收信息完成中断：中断事件号2 3 ( 端口o ) 和2 4 ( 端口1 ) 。 发送结束标志位s m 4 5 和s m 4 6 ：分别用来标志端口0 和端口1 发送空闲 状态，发送空闲置1 。 3 、特殊功能寄存器 执行接收( r c v ) 指令时用到一系列特殊功能寄存器。对端口0 用s m b 8 6 到s i d b 9 4 ；对端口1 用s m b l 8 6 到s m b l 9 4 。各字节及其内容描述如表； m m = o i 选自由口模式。 ( 3 ) 用x m t 指令发送数据 用x m t 指令可以方便地发送1 - 2 5 5 个字符，如果有一中断服务程序连接到发 送结束事件上，发送完缓冲区的最后一个字符时，产生一个发送中断( 对端口 0 为中断事件9 ，端口为断事件2 6 ) 。可以通过检测发送完成状态位s m 4 5 或s m 4 6 的变化，判断发送是否完成。 ( 4 ) 用r c v 指令接收数据 1 6 用r c v 指令可方便地接收一个或多个字符，最多可达2 5 5 个字符。如果有一 个中断服务程序连接到接收信息完成事件上，在接收完最后一字符时，会产生一 个接收中断( 对端口0 为中2 事件3 ，对端口1 为中断事件2 4 ) 。接收信息状态 寄存器s m b 8 6 或s m b l 8 6 反映执行r c v 指令的当前状态：当r c v 指令未补激活或 已被终止时，它们不为0 ；当接收正在进行时，它们为0 。 ( 5 ) 用接收字符中断接收数据 自由1 3 协议支持用接收字符中断控制来接收数据。端口每接收一字符产生一 个中断：端口0 产生中断事件8 ；端口1 产生中断事件2 5 。在执行连接到接收字 符中断事件上的中断程序，接收到的字符存储在s m b 2 中，奇偶校验状态( 如果 允许奇偶校验) 存在s m b 3 0 中，用户可以通过断访问s m b 2 和s m b 3 来接收数据。 端口0 和端口l 共用s 啦2 和s 淝3 。 2 2 7p w m p t o 功能编程帕 ( 1 ) p 删f r o 的基本功能 p w m 输出功能。p w m 是脉冲宽度调制输出( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 的缩 写，这个功能使得p l c 可以输出一个周期固定而脉冲宽度可变的序列脉冲。固定 的周期范围是2 5 0 6 5 5 3 5 u s 或2 6 5 5 3 5 m s ，脉宽的变化范围是0 6 5 5 3 5 u s 或 0 6 5 5 3 5 m s 。其中占空比为1 0 0 时即一直接通，占空比为o 时则输出断开。 f r o 输出功能。f r o 是脉冲顺序输出( p u l s et r a i no u t p u t ) 的缩写，这个 功能使得p l c 可以输出一个脉冲个数可预定的以及可预定的方波脉冲串。其中可 预定的脉冲个数范围为1 4 2 9 4 9 6 7 2 9 5 个，可预定脉冲周期范围是2 5 0 6 5 5 3 5 u s 或2 6 5 5 3 5 m s 。 ( 2 ) p w m 和p r o 的控制寄存器 在s 7 - 2 0 0 的系统中，对每一路p w m p t o 的输出都有一个8 位控制寄存器、 一个1 6 位无符号时间( 周期时间和脉冲宽度时间) 寄存器，一个3 2 位无符号的 脉冲计数器来控制。特殊标志寄存器各位位置如表所示。其中s m b 6 7 和s m b 6 9 为 控制字 q o 0 和q o i 的状态位 q o 0 q o i 说明 s m 6 6 6s m 7 6 6 f r o 为管路溢出o ：无 溢出1 ：溢出 s m 6 6 7s m 7 6 7 f r o 闲置0 在改变 1 ：闲置 q 0 0 和q 0 1 对p t o p w m 输出的控制位 q o o q 0 1 说明 s m 6 7 0 s m 7 7 0 p t o p w , i 刷新周期值 0 ：不刷新l ：刷新 s m 6 7 1s m 7 7 1p w m 刷新脉冲计数值 o ：不刷新1 ：刷新 s m 6 7 3s m 7 7 3 p t o p w m 时基选择0 ： l u s1 ：i m s s m 6 7 6s m 7 7 6 p t o p v n v 模式选择0 ： p t o1 ：p w m s m 6 7 7s m 7 7 7p t o p 删使能o ：禁止 i ：使能 q o 0 和0 0 i 对p t o p w m 输出的周期时间值 q o 0 q o 1 说明 s m 6 8 s m 7 8p t o p 咖周期值的最 高有效字节 s m 6 9s m 7 9 p t o p i 釉i 周期值的最 低有效字节 s m 7 0s m 8 0p t o p v 哪脉宽值的最 高有效字节 s m 7 1s m 8 1 p t o p w m 脉宽值的最 低有效字节 表2 5 ( 3 ) p w m 初始化具体步骤如下： 1 、将s m b o 1 置1 ，p l c 在第1 个扫描周期是调用p w m 初始化程序，而以 后不再调用，s m b 0 1 为o 。 2 、在初始化子程序中，将十六进制数1 6 # c 3 或1 6 # c b 置入s m b 6 7 ( 以q o 0 作p w m 输出) ，含义如下： 使能p w m ； 选择p w m 方式； 以u s ( 或m s ) 为计时单位； 允许写入p w m 脉冲计数当前值( s m w 7 0 ) ； 允许置写入p w m 的周期时间( s m w 6 8 ) 。 3 、把字类型的周期时间装入s m w 6 8 。 4 、把字类型的脉宽时间装入s m w 7 0 。 5 、执行p l s 指令时，p l c 自动对p 删p t o 的硬件初始化编程。 1 8 6 、因为需要随时改变脉宽时间，所以重新向s m b 6 7 写入控制字( 1 6 # c 2 ) 或( 1 6 # c a ) ，然后再执行p l s 指令。 ( 4 ) 改变脉宽 如果需要改变脉宽时间应该按照下述步骤来操作：将所改变的脉宽时间值装 入s m b 7 0 ，执行p l s 指令，使p l c 对p w m 硬件刷新脉宽时间。 ( 5 ) f r o 初始化 f r o 初始化的具体步骤如下： 1 、将s m b 0 1 置i ，以便在第一个扫描周期去调用f r o 初始化子程序。 2 、在初始化子程序中，将1 6 # 8 5 ( 或1 6 # 8 d ) 写入s m b 6 7 ( 以0 0 0 作p t o ) ， 其含义为： 使能f r o ； 选择f r o 方式； 以u s ( 或m s ) 作时间计数单位； 允许设置f r o 计数脉冲设置值( s m b 7 0 ) ； 允许设置f r o 的周期时间( s m b 6 8 ) ； 执行p l s 指令，使p l c 对f r o 硬件编程。 ( 6 ) f r o 参数改变 1 、改变f r o 的周期时间。向s m b 6 7 写入1 6 # 8 1 h ( 以u s 为计时单位) 或 1 6 # 8 9 h ( 以m s 为计时单位) ，向